Пять направлений производства композитов из термопластичных смол, модифицированных углеродным волокном.
Углеродное волокно — редкий высокоэффективный материал, исследования которого начались более века назад. Сегодня развитие технологий и промышленности углеродного волокна получили поддержку многих стран мира. Углеродное волокно само по себе мягкое, и ему трудно придать форму; поэтому его модификация и соединение с такими подложками, как пластики, смолы, металлы и керамика, могут обеспечить превосходные общие характеристики и стабильные структуры, соответствующие требованиям промышленного применения.
Смолы, модифицированные углеродным волокном, являются относительно успешным типом композитного материала, при этом термореактивные композиты из углеродного волокна сегодня являются основным выбором. Используемые смолы включают, среди прочего, эпоксидные смолы и фенольные смолы. Интеграция термопластичных смол с углеродным волокном представляет собой сложную задачу; однако общие характеристики стали лучше, что делает это важным направлением для будущего развития индустрии углеродного волокна. При современном уровне промышленных технологий значительный прогресс был достигнут в исследованиях композитов из термопластичных смол, модифицированных углеродным волокном. Уже успешно разработаны многочисленные высокоэффективные термопластичные композиты, армированные непрерывным углеродным волокном, такие как однонаправленные ленты CF/PPS и CF/PEEK производства Zhishang New Materials.
1.Композиты из полипропиленовой смолы, модифицированные углеродным волокном
Полипропилен (ПП) является наиболее широко используемым полимерным материалом в таких областях, как автомобилестроение и бытовая техника, годовой объем производства которого в Китае превышает 1 миллион тонн. Модификация полипропиленовой смолы углеродным волокном позволяет существенно повысить прочность и жесткость композиционного материала. Кроме того, введение углеродного волокна также оказывает значительное влияние на сыпучесть и кристалличность ПП-материалов.
Полипропиленовые материалы, модифицированные углеродным волокном, обычно обрабатываются с использованием методов смешивания в расплаве, которые в основном включают два метода обработки: двухшнековую экструзию и армирование длинными волокнами. На свойства модифицированных материалов влияют такие факторы, как количество добавленного углеродного волокна, длина волокна, добавки, улучшающие совместимость, и обработка поверхности волокон.
В настоящее время ПП-композиты, армированные длинными волокнами, широко применяются в таких отраслях, как автомобильная и морская промышленность. Однако из-за плохой совместимости между матрицей ПП и углеродным волокном достижение высоких механических характеристик композитов требует сложных процессов обработки поверхности углеродного волокна, что значительно увеличивает как затраты, так и сложность обработки.
2. Композиты на основе поливинилхлоридной смолы, модифицированные углеродным волокном.
Поливинилхлорид (ПВХ) является одной из наиболее широко производимых смол общего назначения в Китае, ключевыми преимуществами которой являются низкая стоимость, хорошие электроизоляционные свойства, отличная химическая стойкость и простота процессов формования. Однако некоторые присущие ему недостатки, такие как низкая ударная вязкость, низкая ударная вязкость и термическая стабильность, а также плохая производительность обработки, ограничивают его применение в областях с жесткими требованиями.
Материалы ПВХ, модифицированные углеродным волокном, могут эффективно повысить прочность на разрыв, поверхностную твердость и прочность на изгиб матрицы ПВХ, что делает их пригодными для производства различных листов и труб ПВХ.
Совместимость между нитями углеродного волокна и матрицей ПВХ лучше, что приводит к значительному улучшению прочности на растяжение, изгиба и ударной вязкости по сравнению с матрицей ПВХ. Из-за плохой термостабильности матрицы ПВХ такие методы обработки, как погружение в расплав или смешивание, могут легко привести к разрушению матрицы. Поэтому материалы ПВХ, модифицированные углеродным волокном, обычно обрабатываются с использованием методов ламинирования.
3. Композиты из поликарбонатной смолы, модифицированные углеродным волокном
Поликарбонат (ПК) — широко используемый инженерный пластик, известный своей высокой ударной вязкостью и хорошей прозрачностью. Когда углеродное волокно смешивается с ПК, оно может еще больше улучшить различные свойства ПК и расширить области его применения.
Исследования показали, что когда количество добавленного углеродного волокна составляет менее 20%, происходит значительное повышение прочности на разрыв, прочности на изгиб и модуля упругости при изгибе материала. Ударная вязкость достигает максимума, когда содержание углеродного волокна составляет около 6%. Когда содержание углеродного волокна составляет от 10% до 20%, поверхностное сопротивление материала может достигать 8×10^9 Ом·см, обеспечивая превосходные антистатические свойства.
Композит поликарбоната (ПК) с углеродным волокном также может придавать полимерной матрице свойства электромагнитного экранирования; однако эффективность экранирования не очень высока. Чтобы достичь требуемой эффективности экранирования стандартных материалов для электромагнитной защиты, необходимо добавлять другие металлические волокна или порошки с высокой проводимостью. Углеродное волокно или углеродное волокно с металлическим покрытием в сочетании с металлическими порошками, графеном, проводящей сажей и т. д. могут играть роль мостика в композитном материале, тем самым улучшая характеристики электромагнитного экранирования.
4.Композиты из полиамидной смолы, модифицированные углеродным волокном
Полиамид (ПА) — отличный инженерный пластик, но из-за его высокой кристалличности и значительного влагопоглощения формоустойчивость изделий из этого материала плохая, а его прочность и твердость не соответствуют металлическим. В практическом применении эти материалы часто требуют армирования стекловолокном или углеродным волокном.
После армирования и модификации углеродным волокном механические свойства PA могут быть значительно улучшены. Модифицированный материал может служить как конструкционным материалом, воспринимающим нагрузки, так и функциональным материалом. В настоящее время большинство исследований ПА, модифицированного углеродным волокном, сосредоточено на влиянии модификации поверхности углеродных волокон на интерфейс и характеристики композитов.
Исследования показали, что окислительная обработка поверхности углеродного волокна улучшает прочность связи между углеродным волокном и PA1010. По мере увеличения объемной доли углеродного волокна прочность на разрыв и твердость по Роквеллу композита сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Когда объемная доля углеродного волокна достигает 20%, предел прочности материала достигает максимального значения. Кроме того, коэффициент трения материала снижается с увеличением объемной доли углеродного волокна, стабилизируясь на уровне около 0,24, когда объемная доля углеродного волокна достигает 20%.
5. Специальные инженерные пластиковые композиты, модифицированные углеродным волокном.
К специальным конструкционным пластикам относятся пластмассы с более высокими общими характеристиками и длительным сроком службы при температуре выше 150 градусов. К этим материалам в основном относятся PEEK, PPS, TPI и другие. Большинство специальных конструкционных пластиков могут служить матричными материалами для термопластичных композитов, армированных стекловолокном, углеродным волокном и арамидным волокном. Специальные конструкционные пластмассы, армированные углеродным волокном, обладают превосходными механическими свойствами и производительностью обработки, что позволяет им полностью заменить термореактивные смолы или даже металлы в таких областях, как аэрокосмическая, морская и медицинская отрасли.
A. Полиэфирэфиркетон, армированный углеродным волокном (PEEK)В настоящее время это термопласт, устойчивый к самым высоким температурам, с температурой длительного использования до 250 градусов. Даже при температуре до 300 градусов он сохраняет очень хорошие механические свойства. Модифицированный углеродным волокном PEEK не только повышает прочность и жесткость материала, но также придает характеристики проводимости и износостойкости.
B. Термопластичный полиимид (TPI)демонстрирует выдающуюся термическую стабильность, а также отличную ударопрочность, радиационную стойкость и стойкость к растворителям. Более того, этот тип материала демонстрирует исключительную износостойкость в экстремальных условиях, характеризующихся высокими температурами, переменным давлением и высокими скоростями. Применение армирования углеродным волокном может еще больше улучшить характеристики этих материалов и расширить диапазон их применения.
C. Полифениленсульфид (PPS)представляет собой полукристаллическую термопластическую смолу, известную своими превосходными механическими свойствами, химической стойкостью и характеристиками самозатухания. Кроме того, этот тип материала показывает хорошую совместимость с неорганическими минералами и органическими волокнами, что делает его пригодным для изготовления различных композитов с высоким содержанием наполнителей. Композиты PPS из термопластичного углеродного волокна обладают хорошими механическими свойствами и отличной стойкостью к растворителям. Характеристики сцепления между PPS и углеродным волокном также превосходны; однако на все механические свойства существенное влияние оказывает объемная доля ткани из углеродного волокна. Когда объемная доля ткани из углеродного волокна ниже 50%, все механические свойства композита существенно улучшаются с увеличением объемной доли ткани из углеродного волокна.
Различные типы термопластичных смол демонстрируют разную степень эффективности при объединении с углеродным волокном, а также существуют различия в подготовке и последующей обработке. Только посредством непрерывных экспериментов можно найти оптимальные решения, которые выведут всю индустрию углеродного волокна на следующий этап. В настоящее время было продемонстрировано, что некоторые термопластичные композиты из углеродного волокна, такие как CF/PPS и CF/PEEK, демонстрируют хорошие характеристики с точки зрения производительности, производства и переработки, что делает их важными областями для углубленных исследований и разработок в краткосрочной перспективе. В последние годы компания Zhi Shang New Materials работала над более эффективной интеграцией непрерывных углеродных волокон с этими термопластичными смолами для создания однонаправленных лент с более стабильной физической формой и превосходными механическими свойствами. Благодаря развитию технологий и модернизации оборудования появилась возможность массового производства такой продукции.
